具有高韧性的铜-镍-锡合金制造技术

本发明专利技术披露了一种铜‑镍‑锡亚稳合金，其具有改善的冲击强度、屈服强度和延展性的组合。该合金通过包括固溶退火、冷加工和亚稳硬化在内的加工处理步骤形成。这些处理步骤包括第一热处理/均质化步骤，随后为热加工、固溶退火、冷加工、以及第二热处理/亚稳硬化步骤。所制得的亚稳合金可应用于要求高强度和延展性的应用，例如用于油气工业中的管线和管道。

Tin copper nickel alloy with high toughness

The invention discloses a copper nickel tin metastable alloy, its impact strength, improve the yield strength and ductility of the composite. The alloy is formed by the processing steps including solid solution annealing, cold processing and metastable hardening. These steps include the first heat treatment / homogenization steps, followed by hot processing, solid solution annealing, cold processing, and second heat treatment / metastable hardening steps. The metastable alloys made can be applied to applications requiring high strength and ductility, such as pipelines and pipes used in the oil and gas industry.

【技术实现步骤摘要】
具有高韧性的铜-镍-锡合金本申请是国际申请号为PCT/US2014/035179、国际申请日为2014年4月23日的PCT国际申请进入中国阶段后国家申请号为201480023359.9、专利技术名称为“具有高韧性的铜-镍-锡合金”的专利技术专利申请的分案申请。本申请要求于2013年4月23日提交的美国临时申请No.61/815,158的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。
本公开涉及具有包括高冲击韧性、高强度和良好延展性在内的综合性能的铜-镍-锡亚稳(spinodal)合金。本文中还披露了该合金的制备和使用方法。
技术介绍
由于钻井环境(腐蚀、温度)和作业条件(振动、冲击载荷、扭曲载荷)方面的原因，井下油气勘探存在一系列严苛的要求。高强度(>75ksiYS)铜合金(如铜铍合金、铝青铜合金和类似的析出硬化型合金)所具有的冲击特性远低于具有类似强度等级的钢、镍或其他合金。因此，需要其他的材料。
技术实现思路
本公开涉及铜-镍-锡亚稳合金、以及该合金的制备和使用方法。这些合金具有令人惊讶的高冲击韧性和强度，并具有良好的延展性等其他性能。这些特性对于制造用于油气钻探/勘探以及其他工业中的管道、管线、杆、以及其他具有对称形状的产品而言是至关重要的。下文中更具体地披露了本专利技术的这些以及其他的非限制性特性。附图说明下面为附图简要说明，这些说明是为了示出本文所披露的示例性实施方案，而并非是为了对其加以限制。图1为本公开中所用的处理工序的图示。具体实施方式通过参照本公开中所包括的优选实施方案和实例的如下详细描述，可更容易理解本公开内容。在如下说明书和随附权利要求书中，将会提及若干用语，这些用语应定义为具有如下含义。除非上下文中另有明确说明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。本说明书和权利要求书中所用的用语“包括”可包括“由…构成”和“基本上由…构成”的实施方案。数值应理解为包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值。本文所用的表示近似的用语可用于修饰任何数量，其中这些数量可发生改变而不会造成与之相关的基本功能的变化。因此在一些情况中，被诸如“大约”和“基本上”等用语修饰的数值可以并不局限于所指定的精确值。修饰用词“大约”应理解为披露了两个端值的绝对值所限定的范围。例如，表述“约2至约4”也披露了范围“2至4”。术语“室温”指20℃至25℃的范围。本公开的铜-镍-锡亚稳合金具有与钢、镍合金、钛合金及其他铜合金相当或更高的高冲击韧性，并且还具有良好的强度和延展性。本文所用的高冲击强度部分地与高抗缺口断裂性(notchfailureresistance)相关。因此，本专利技术的合金具有高缺口强度比。本文所披露的铜-镍-锡(CuNiSn)亚稳合金包含约5重量％至约20重量％的镍、约5重量％至约10重量％的锡，余量为铜。更优选的是，铜-镍-锡合金包含约14重量％至约16重量％的镍，包括约15重量％的镍；和约7重量％至约9重量％的锡，包括约8重量％的锡；除了杂质和微量的添加物外，余量为铜。在本文所述的加工步骤之后，所述合金的0.2％补偿屈服强度为至少75,000psi(即，75ksi)。当在室温下用V型缺口并根据ASTME23对所述合金进行测量时，所述合金还具有至少30英尺磅的冲击韧性。本专利技术合金所具有的高强度和冲击韧性以及良好延展性的不同寻常的组合是通过这样的处理工序获得的，该处理工序至少包括固溶退火、冷加工和亚稳硬化(spinodalhardening)步骤。例如，在一个非限制性实施方案中，所述工序包括以下所有步骤：立式连铸(verticalcontinuouscasting)、均质化、热加工、固溶退火、冷加工和亚稳硬化处理。据认为，通过这些工序制造的所得合金能够用于制造直径达至少10英寸的液体输送管道和/或管线(例如，用于石油和天然气工业中的液体输送管道和/或管线)、以及包括杆、棒和板在内的其他对称形状制品。这些合金利用了晶界与大穿晶断裂(bulkgrainfracture)之间的平衡。在此方面，本文所披露的铜-镍-锡亚稳合金一般包含约5重量％至约20重量％的镍、约5重量％至约10重量％的锡，并且除了杂质和微量的添加物外，余量为铜。微量添加物包括硼、锆、铁和铌，这些微量添加物进一步增强了等轴晶体的形成，并且还减少了固溶热处理期间基质中的Ni和Sn扩散速率间的差异。另一种微量添加物包括镁，其在合金处于熔融状态时将合金还原。还发现，无论合金中是否存在作为杂质的硫，通过添加锰均可显著改善极限性能。还可存在其他元素。铜-镍-锡合金中，前述元素各自的含量均不超过约0.3重量％。简单来说，在上述的一个实施方案中，制备铜-镍-锡亚稳合金的方法包括：对合金进行立式连铸以形成铸件或铸造合金；对该铸造合金进行均质化(即，第一热处理)；对经过均质化的合金进行热加工；对经过热加工的合金进行固溶退火(即，第二热处理)；对经过固溶退火的合金进行冷加工；以及在冷加工之后，对材料进行亚稳硬化(即，第三热处理)从而获得所述合金。在此方面，应注意到，术语“合金”指的是材料本身，而术语“铸件”是指由合金制成的结构体或制品。在本公开中，术语“合金”和“铸件”可互换使用。该工艺也示出于图1中。首先，对铜-镍-锡合金的加工开始于对合金进行铸造，例如进行立式连铸，从而形成具有微细且基本上单一的晶粒结构(grainstructure)的铸件。根据所需应用的不同，铸件可为钢坯、大方坯、扁坯、或毛坯，在一些实施方案中，其呈圆柱形或其他形状。连续铸造工艺和装置在本领域中是已知的。例如，可参见美国专利No.6,716,292，其全部内容以引用方式并入本文。接下来，对铸件进行第一热处理或均质化步骤。该热处理在超过固相线温度的70％的温度下进行足够长的时间，以将合金的基质转化为单一相(或非常接近于单一相)。换言之，对合金进行热处理以使合金均质化。根据所期望的最终机械性能，对铸件进行热处理的温度和时长可有所不同。在一些实施方案中，热处理在约1400°F或更高的温度下进行，包括约1475°F至约1650°F的范围。进行均质化的时间可为约4小时至约48小时。接下来，对经过均质化的合金或铸件进行热加工。此时，使铸件发生显著且均匀的机械变形以减小铸件的面积。热加工可在固溶相线和固相线温度之间进行，从而使合金在变形过程中进行再结晶。这改变了合金的微结构，从而形成了更微细的晶粒，这种更微细的晶粒能够提高材料的强度、延展性和韧性。热加工可得到具有各向异性的合金。可通过热锻、热挤压、热轧或热穿孔(即，旋转穿孔)或者其他热加工工艺来进行热加工。压缩比应最小为约5:1，优选为至少10:1。在热加工过程中，可将铸件再加热到约1300°F至约1650°F的温度。对于每英寸的铸件厚度，再加热应当进行约一小时，但是在任何情况中，再加热进行至少6小时。然后对经过热加工的铸件进行第二热处理步骤。该第二热处理起到固溶退火处理的作用。固溶退火在约1470°F至约1650本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由铜‑镍‑锡亚稳合金制成的制品，所述合金包含：5重量％至20重量％的镍；5重量％至10重量％的锡；除杂质和微量添加物之外，余量为铜；其中所述微量添加物选自由硼、锆、铁、铌、锰和镁所构成的组中的至少一种，并且其中所述微量添加物各自的含量不超过所述制品的0.3重量％；其中所述制品的0.2％补偿屈服强度为至少110ksi，根据ASTM E23在室温下用V型缺口测量的冲击韧性为至少12英尺磅，极限抗拉强度为至少120ksi且最小伸长率为20％。

【技术特征摘要】
2013.04.23 US 61/815,1581.一种由铜-镍-锡亚稳合金制成的制品，所述合金包含：5重量％至20重量％的镍；5重量％至10重量％的锡；除杂质和微量添加物之外，余量为铜；其中所述微量添加物选自由硼、锆、铁、铌、锰和镁所构成的组中的至少一种，并且其中所述微量添加物各自的含量不超过所述制品的0.3重量％；其中所述制品的0.2％补偿屈服强度为至少110ksi，根据ASTME23在室温下用V型缺口测量的冲击韧性为至少12英尺磅，极限抗拉强度为至少120ksi且最小伸长率为20％。2.权利要求1所述的制品，其中所述合金包含14重量％至16重量％的镍、7重量％至9重量％的锡，余量为铜。3.权利要求2所述的制品，其中所述合金包含15重量％的镍和8重量％的锡。4.权利要求1所述的制品，根据ASTME23在室温下用V型缺口对所述制品进行测量时，其具有至少30英尺磅且至多100英尺磅的冲击韧性。5.权利要求1所述的制品，其导磁系数小于1.02。6.权利要求1所述的制品，其中所述制品是管道、管线、杆、棒或板。7.权利要求1所述的制品，其中所述制品具有对称形状。8.一种通过以下方法由铜-镍-锡亚稳合金制成的制品，所述方法包括：对包含5重量％至20重量％的镍、5重量％至10重量％的锡、以及余量的铜的铜-镍-锡合金进行铸造；将所述合金均质化；对均质化的所述合金进行热加工，以获得最小5:1的压缩比；在1470°F至1650°F的温度下对经过热加工的所述合金进行固溶退火；对经过固溶退火的所述合金进行冷加工直到所述合金具有15％至80％的断面收缩率；以及在所述冷加工后，对所述合金进行亚稳硬化，以制得所述制品；其中所述合金制品的0.2％补偿屈服强度为至少75,000psi。9.权利要求8所述的制品，其中，所述铜-镍-锡合金包含14重量％至16重量％的镍、7重量％至9重量％的锡，并且余量为铜。10.权利要求9所述的制品，其中，所述合金包含15重量％的镍和8重量％的锡。11.权利要求8所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·雷蒙德·克里布，查德·A·芬克拜纳，弗里茨·C·格伦辛，
申请(专利权)人：美题隆公司，
类型：发明
国别省市：美国,US